建筑業(yè)硬質(zhì)泡沫應(yīng)用分析
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一般的建材密度高且絕熱性能差，如膨脹珍珠巖混凝土密度約1g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)約0.33W/(m.K);巖棉保溫材料密度0.06~0.15g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)約0.044W/(m.K)；石棉水泥珍珠巖板密度為0.4g/cm3,導(dǎo)熱系數(shù)約0.1W/(m.K)。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料突出優(yōu)點(diǎn)之一是導(dǎo)熱系數(shù)低，為0.019~0.030W/(m.K)，低于發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)的導(dǎo)熱系數(shù)0.04~0.05W/(m.K)[3]。因此在相同條件下[4]，50mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的保溫效果相當(dāng)于80mm厚的EPS、90mm厚的礦棉、100mm厚的軟木、130mm厚纖維板、280mm厚的木板或760mm厚的混凝土。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料突出優(yōu)點(diǎn)之二是體積密度小。目前用于保溫的大多數(shù)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的體積密度約為35~40kg/m3，抗壓強(qiáng)度>0.2MPa。該材料質(zhì)量輕，但仍能承受一定的機(jī)械荷載且硬度很高，因此在堅固抗壓結(jié)構(gòu)建筑中是一種比較理想的材料。該材料具有類似木材特性，可鋸、易切割，可針對各種要求完成定制保溫層的鋪設(shè)。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是建筑物的屋頂、天花板、墻板、地板等部位保溫節(jié)能的理想材料。窗架、窗扇、窗框、門框等構(gòu)件則可用密度較高的聚氨酯硬質(zhì)泡沫結(jié)構(gòu)制作。據(jù)資料報道[3]，對一幢采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板塊進(jìn)行屋面保溫的獨(dú)立建筑進(jìn)行能量守恒模型計算，結(jié)果證明，使用1m3、導(dǎo)熱系數(shù)0.025W/(m.K)的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，可在50年內(nèi)節(jié)省6.55萬kWh的能量。在德國Viernheim的一棟房屋中，采用PurenSchaumstoff公司的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料解決了保溫問題。建筑的墻體采用30cm厚、導(dǎo)熱系數(shù)為0.03W/(m.K)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作保溫層，最終墻體的傳熱系數(shù)降到0.10W/(m2.K)。如果這些墻體采用EPS作保溫層，那就需要再增加10cm的厚度。由于采用了較薄的保溫層，相對于房屋的居住面積增大了6.3m2以上。目前硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料在建筑上主要應(yīng)用于屋頂、墻體、窗戶、地面、管道等保溫。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫產(chǎn)品主要有以下幾種生產(chǎn)工藝：一種是連續(xù)或間斷式板塊工藝，在連續(xù)式泡沫板塊生產(chǎn)工藝中，聚氨酯的原材料聚醚和異氰酸酯混合反應(yīng)在2層面板之間進(jìn)行發(fā)泡，面板可采用柔性材料，也可采用剛性材料作面層，比如金屬板和木質(zhì)板材、鋁箔等，此工藝在工業(yè)建筑中已得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品的長度可根據(jù)需要進(jìn)行生產(chǎn)；間斷式板塊生產(chǎn)(國內(nèi)有少數(shù)工廠采用手工澆注生產(chǎn))是將聚醚和異氰酸酯混合反應(yīng)物料注入到模具中，脫模后得到產(chǎn)品可加工成不同形狀的部件使用。另一種是連續(xù)式泡沫卷材生產(chǎn)工藝，主要用于管道外面保溫層生產(chǎn)。也有采用被保溫物體進(jìn)行現(xiàn)場機(jī)器噴涂發(fā)泡的工藝，比如屋頂、墻面等。國內(nèi)較大型的硬泡板材生產(chǎn)企業(yè)有30余家，主要生產(chǎn)廠房和冷庫板材。較大型的硬泡管材生產(chǎn)企業(yè)有10余家，主要生產(chǎn)集中供熱保溫及冷凍絕熱用管材。
2建筑工業(yè)中開發(fā)應(yīng)用
2.1建筑物屋頂保溫[3~9,11,12]
2.1.1坡屋頂
如今人們把坡屋頂空間也作為居住空間，坡屋頂?shù)谋匾簿惋@得越來越重要。坡屋頂保溫技術(shù)一般是在屋椽上方鋪設(shè)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板材來阻斷熱橋，同時可提高屋頂結(jié)構(gòu)的不透風(fēng)性和隔聲效果。目前國內(nèi)對坡屋頂保溫措施還未開展，大部分城市房屋的平屋頂改坡屋頂主要是解決美觀問題，其次有一定的隔熱作用。
2.1.2平屋頂
國內(nèi)目前現(xiàn)有的房屋大多采用平屋頂結(jié)構(gòu)，屋頂長期的溫度波動范圍為-30~90℃，因此采用何種絕熱材料變得尤為重要。在鋪設(shè)平屋頂時，屋面材料的熱穩(wěn)定性是主要因素。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料可滿足上述要求，能承受陽光長期照射在平屋頂密封層的深色表面所產(chǎn)生的高溫，且具有長期的耐老化性。①保溫方式：日本普遍采用鋪設(shè)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板材，歐美普遍采用現(xiàn)場噴涂發(fā)泡方式，目前國內(nèi)對屋頂保溫也采用現(xiàn)場噴涂發(fā)泡方式。②噴涂發(fā)泡法：由于近20年來發(fā)展起來的硬質(zhì)聚氨酯泡沫采用噴涂工藝施工取得了較好效果。硬質(zhì)聚氨酯泡沫噴涂工藝是雙組分反應(yīng)物料借助高壓空氣的作用，將反應(yīng)物料輸送至噴槍，被壓縮空氣霧化噴射到施工物件表面進(jìn)行發(fā)泡成型技術(shù)。硬質(zhì)聚氨酯泡沫噴涂的屋頂層既可作保溫層同時也可作防水層。采用噴涂發(fā)泡機(jī)可大面積施工，噴涂泡沫與建筑物建材基層形成一體，不易發(fā)生脫層，無拼接縫，從而可避免屋面滲漏。③屋頂施工：通常在干凈干燥的屋面基層上直接噴涂一層30~50mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料，再加一層保護(hù)層(免受陽光直接照射和外界風(fēng)化作用；提高屋面剛性強(qiáng)度，硬質(zhì)聚氨酯泡沫免受機(jī)械損傷)。國外采用抗紫外線老化有機(jī)涂覆層，國內(nèi)多采用鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)水泥砂漿方法。另有報道[7]，為了噴出平整的表面層，可2次噴涂屋面，主體泡沫的密度范圍為30~40kg/m3，最上面10mm厚的為80kg/m3左右，或統(tǒng)一選用50~60kg/m3的單一密度，也可滿足上面走動的承載而不損壞泡沫。國家建設(shè)部、國家建筑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)局于2003年8月審定了《噴涂聚氨酯硬泡防水保溫材料》國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)即將公布。⑤國內(nèi)施工實(shí)例[5,6]：廣州市坑口地鐵拱形屋面。蘭州510所在廣州市坑口地鐵拱形屋面的施工中，噴涂硬質(zhì)聚氨酯泡沫性能為：閉孔率>93%，氧指數(shù)>26，泡沫密度為45~55kg/m3，壓縮強(qiáng)度≥190kPa，導(dǎo)熱系數(shù)約0.023W/(m.K)。施工設(shè)備：美國Graco和Gusmer公司噴涂發(fā)泡機(jī)。此外，還有山東煙臺萬華合成革集團(tuán)公司住宅屋面、國家大型儲備糧庫屋面、沈陽四方臺氣體有限公司綜合樓屋面、青島福瑞德食品有限公司5000m2屋面保溫、江蘇省鹽城市體育局5000m2屋面防腐保溫、江蘇省南通市兒童業(yè)余體校1000m2屋面保溫、濰坊仟和食品有限公司3000m2屋面保溫、青島白珊學(xué)校1500m2鋼結(jié)構(gòu)屋面、青島天虹大廈樓頂屋面聚氨酯保溫(高層建筑)、煙臺港務(wù)局4000m2鋼結(jié)構(gòu)屋面保溫、青島澳福針織有限公司3000m2鋼結(jié)構(gòu)屋面保溫等。⑥成本估算：按照國內(nèi)有關(guān)施工單位提供的資料[5,6]，4~6人施工每天可噴涂15m3以上，如果按噴涂30mm厚度計算，每天可噴涂密度45~55kg/m3，壓縮強(qiáng)度≥190kPa，噴涂30min后基本固化，可在上面行走，24h后可進(jìn)行下一工序施工。
2.2墻體中的應(yīng)用[7,10~12]傳統(tǒng)房屋墻體采用370mm厚的黏土磚砌筑而成，由于磚墻的傳熱系數(shù)大，因此能耗相應(yīng)加大，所以從節(jié)能角度考慮這是我們要給予重視并解決的問題。目前使用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為墻體保溫有以下幾種辦法解決。
2.2.1金屬夾芯板材作墻體
硬質(zhì)聚氨酯泡沫金屬夾芯板材作為墻體，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、絕熱性好、阻燃性好、使用壽命長，目前廣泛用于廠房和冷庫等的施工建設(shè)中。
2.2.2外墻砌筑夾填泡沫板法
墻體夾硬質(zhì)聚氨酯泡沫板，外墻抹水泥砂漿。整體性不好，不易施工，一般不采用。
2.2.3墻外表面粘貼泡沫板(塊)法
不易施工，采用少。
2.2.4內(nèi)外墻之間砌筑夾填澆注硬質(zhì)聚氨酯泡沫法
把硬質(zhì)聚氨酯泡沫的反應(yīng)混合料澆注填入內(nèi)外墻之間空腔內(nèi)，物料在腔內(nèi)發(fā)泡，泡沫與墻體結(jié)合形成一體。
2.2.5噴涂聚氨酯硬質(zhì)泡沫法
噴涂泡沫施工：外墻采用370mm厚黏土磚砌筑，堵好墻面洞口，掃凈墻面浮灰；噴涂20mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫用打點(diǎn)掛線法進(jìn)行控制，12h后打磨找平，即可進(jìn)行20mm厚水泥砂漿涂抹等其他裝修施工。
2.2.6保溫施工實(shí)例[7]
沈陽四方臺氣體有限公司綜合樓外墻面噴涂25mm厚聚氨酯硬質(zhì)泡沫。沈陽新光機(jī)械廠職工住宅樓外墻噴涂20mm厚聚氨酯硬質(zhì)泡沫(同等條件下，室溫提高5℃)。
2.2.7不同墻體保溫材料成本比較
日本墻體保溫隔熱情況資料報道[13]，由于日本屬于發(fā)達(dá)國家，因此對于建筑物的保溫、隔熱、隔音、防潮要求是比較高的，也是家庭建筑必須具備的基本要素。同時日本在這方面技術(shù)的研究和應(yīng)用比較成熟，對于不同建筑使用不同厚度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料隔熱層，用于一般住宅和高層建筑的硬質(zhì)聚氨酯泡沫隔熱層的厚度為40mm，價格約2500日元/m2；用于高檔住宅建筑的隔熱層的厚度是60~80mm，價格約8000~10000日元/m2(帶有1層9.5~12mm厚的細(xì)木工板)。日本用于建筑硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料物理性能。
2.3窗戶保溫
建筑物的能量有1/3是從窗戶損失，不僅通過窗玻璃，且通過導(dǎo)熱的窗框。但是，通過對窗框結(jié)構(gòu)進(jìn)行妥善合理的設(shè)計，可以使能量損失減少到最低限度。采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料窗框芯的窗戶，保溫性能可達(dá)傳統(tǒng)木框窗的2倍。若將北向、西向的窗戶改為單框雙玻璃，周邊外墻直接噴涂30mm厚硬質(zhì)聚氨酯泡沫絕熱層，經(jīng)這樣處理建筑物能源效率可從原來2.4~2.9提高到5.8~6.0。
2.4地面保溫
在室內(nèi)地面保溫時，相對較薄的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫層即可滿足要求，無論是地面上進(jìn)行保溫，還是在樓板下鋪設(shè)保溫層，都特別有用。一般地面保溫層只需20~40mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板塊就足夠；如果要敷設(shè)地面采暖管線，則可采用經(jīng)特殊發(fā)泡或鉆孔的板材。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料在長期壓力荷載下仍能保持較好的穩(wěn)定性，當(dāng)?shù)孛娌膳?、溫度升?0℃時也能保持相同的穩(wěn)定性。
2.5冷庫建設(shè)
對于溫度<-30℃的低溫場合硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是最佳絕熱材料。國內(nèi)貿(mào)易部工程設(shè)計研究院于1998年編制了硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料冷庫保溫工程施工規(guī)程(試行),規(guī)程提出了主要的6項(xiàng)指標(biāo)：①墻、頂用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料密度>37kg/m3，地面用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料密度>45kg/m3；②墻、頂壓縮強(qiáng)度(形變10%的壓縮應(yīng)力)為147kPa，一般地坪壓縮強(qiáng)度>245kPa，行走叉車地坪壓縮強(qiáng)度≥249kPa；③墻、頂導(dǎo)熱系數(shù)<0.022W/(m.K)，地坪導(dǎo)熱系數(shù)<0.024W/(m.K)；④尺寸穩(wěn)定性<2%；⑤吸水率<4%；⑥氧指數(shù)>26，離火自熄時間應(yīng)達(dá)0級標(biāo)準(zhǔn)。